自動調焦方法在機載光電成像設備中的應用

邵明禮

(洛陽電光設備研究所光電系統(tǒng)部，河南洛陽 471009)

1 自動調焦方法的優(yōu)越性

基于圖像處理的聚焦方法先分析出了圖像的質量，隨后獲得成像狀態(tài)，最終完成聚焦操作。通常分為離焦深度法(Data Flow Diagram，DFD)、對焦深度法(Dtype Flip Flop，DFF)兩大類［1］。與傳統(tǒng)自動對焦方式相比，基于圖像處理的自動調焦方法實現了智能化、高速處理、集成化及低功耗等功能，具有廣闊的發(fā)展前景?，F有調焦方法比較情況如表1所示。

表1 現有調焦方法比較

2 基于圖像處理的自動調焦方法

基于圖像處理的聚焦方法有兩項關鍵技術:(1)調焦搜索控制策略。(2)圖像清晰度判斷依據。調焦搜索控制策略的主要作用是確保自動調焦可快速、準確地調整驅動鏡頭，并使其在正焦位置上;圖像清晰度判斷依據為:正確調焦狀態(tài)下，圖像各點之間存在較強的灰度對比度，若調焦偏差越大，則將逐步降低灰度對比度。若是調焦正確的圖像，細節(jié)會更加豐富，高頻分量更多，自然對比度也更強烈。實現圖像清晰度的比較，需要先找到計算機可直接進行比較的數值，因此基于圖像處理的自動調焦方法關鍵環(huán)節(jié)是選取圖像清晰度評價函數。圖像清晰度評價函數主要發(fā)揮的作用為計算圖像某一信息，然后依據所得數值是否直接對應圖形清晰度提供調焦判斷依據［2］。

3 清晰度評價函數

3.1 邊緣檢測算子

邊緣輪廓是提供圖像信息的主要依據，因此邊緣提取和檢測在圖形處理過程中發(fā)揮了重要的作用，算法優(yōu)劣對圖像的處理效果將產生較大的影響。文中研究斜邊緣檢測算子(Sevel)和Mix算子。

(1)斜邊緣檢測算子。在實際圖像中，圖像較近像素間的灰度差可更加清晰的表現圖像的邊緣輪廓，可采用改進Sobel算子的斜邊緣檢測算子，如式(1)所示

將式(1)除以2可獲得與Sobel算子相當的計算量。

(2)Mix算子。斜圖像邊緣和水平、垂直圖像邊緣內容相當，可采用下面的改進算子。其將Lean斜邊緣檢測算子、Sobel算子進行充分結合，形成Mix算子，如式(2)所示

Mix算子是對0°和 +45°方向像素灰度差值的計算［4］。

3.2 清晰度評價函數的選擇

采用CCD相機進行航拍模擬試驗。調節(jié)成和航空成像設備相似的數字焦距及焦深。采集了兩組“不清晰-清晰-不清晰”flash圖像［5］，一組有干擾噪音，另一組沒有。采用9種函數對其清晰度評價值進行計算，歸納處理后的清晰度評價曲線如圖1、圖2所示。

圖1 無干擾、噪聲圖像的9種清晰度評價函數評價曲線

圖2 有干擾、噪聲圖像的9種清晰度評價函數評價曲線

如圖1所示，除了ACM算子，其他算子的單峰性、無偏性均較好，且均在134處達到了最大清晰度評價值，表明此處是最佳成像位置［6］。如圖2所示，存在干擾、噪音的狀況下，算子、算子的靈敏度較好，可準確定位最佳成像位置，精度搜索時應用為宜;算子具有較寬的有效調焦區(qū)域，且運算量較小，對調焦的精確性、實時性進行了綜合的考慮。

3.3 調焦區(qū)域選擇

由于航空數碼相機采用的是CCD傳感器，達到數千萬像素，若進行整幅圖像的處理，會產生較大的計算量，對系統(tǒng)實時性帶來影響，所以選擇調焦區(qū)域尤為必要。通常采用的方式是選擇圖像中紋理性相對較為清晰的一塊區(qū)域作為調焦區(qū)域［4］，在自動調焦時，選擇的區(qū)域會進行整幅圖像的像素點處理，進而增加了計算量，此方式存在局限性，可采用新型隔行隔列區(qū)域選擇方式，圖像大小為M×N，采用奇數行、列的像素點為調焦區(qū)域，此方式計算量僅為整幅圖像處理方式的1/4［7］，適用于紋理分布較均勻的圖像。

4 調焦控制策略

調焦控制策略分為調焦方向的判定及搜索評價函數特性曲線峰值。確定準確的特性曲線峰值定位可保證調焦控制策略更加優(yōu)異［8］。文中將搜索算法分為粗搜索和精搜索兩階段，并著重分析了精搜索。

局部全局搜索法:(1)以粗搜索獲得的最佳對焦位置為中心，選取5個采樣點在局部搜索，步長為7;獲得新對焦位置后，以其為中心選取3個采樣點，局部內實施搜索，步長為2。(2)以粗搜索獲得的最佳對焦位置為中心，選取11個采樣點在局部搜索，步長為2。

變步長爬山搜索法:先設定調焦方向，依據計算獲得圖像評價函數值，與相鄰幀評價函數值進行對比，達到最大函數值，為聚焦。此方式需注意調焦步長的選擇，步長選擇越小，調焦效率越低。依據圖1和圖2顯示的調焦曲線特點，先進行粗搜索獲得有效調焦區(qū)域，采用爬山式搜索，收斂至最佳對焦位置的附近后再準確定位到最佳對焦位置焦深范圍［8］。

綜合搜索法:先采用粗搜索獲得最佳對焦位置，以此為中心選取5個采樣點，實施爬山搜索，步長為7;獲得新對焦位置后，再以其為中心選取3個采樣點，局部內實施搜索，步長為2。

5 結束語

基于圖像處理的自動調焦方法應用在機載光電成像設備中，實現了智能化的調焦且聚焦判據多樣靈活。利用數字進行圖像處理，可提取出圖像的有效信息，進行判定。計算機具有靈活的圖像處理方式，可依據不同的要求選用不同的判據調焦。利用計算機對執(zhí)行機構實施控制，可靈活、方便地響應調焦要求速度，從而簡化運動機構和電路。

［1］趙志彬.機載光電平臺可見光攝影機自動調焦技術研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2010.

［2］耿道鵬.基于圖像的光測成像系統(tǒng)自動調焦方法研究［D］.長沙:國防科學技術大學研究生院，2008.

［3］趙志彬，劉晶紅.基于圖像功率譜的航空光電平臺自動檢焦設計［J］.光學學報，2010(12):3495-3500.

［4］許靜玲.基于圖像處理的自動調焦算法的探討［J］.中國科技信息，2005(8):105.

［5］林兆華.基于圖像處理自動調焦技術在經緯儀中應用的研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2012.

［6］楊權，劉晶紅，馬曉飛.基于圖像處理的機載光電平臺自動調焦方法［J］.液晶與顯示，2011(5):677-682.

［7］劉斌.基于圖像技術的自動調焦方法研究與實現［D］.杭州:浙江大學，2004.

［8］趙志彬，劉晶紅.基于圖像處理的航空成像設備自動調焦設計［J］.液晶與顯示，2010(6):863-868.